CN102701449B - 一种磁活性污泥反应器装置及其实现短程脱氮的方法 - Google Patents

Abstract

一种磁活性污泥反应装置及其实现短程脱氮的方法，属于污水处理领域。反应器安装进水管、出水管和排泥管、便于污水和磁活性污泥充分混合的搅拌装置、底部设置微孔曝气圆盘，微孔曝气圆盘和鼓风机之间设有气体流量计；在反应器内壁上安装溶解氧DO，氧化还原电位ORP和pH电极，外部安装有显示控制器、PID控制器、计算机。实现短程硝化的方法:在MLSS=13000mg/L下，基于pH值曝气控制策略；在线控制自动运行。本发明适用于城市污水处理厂及其它诸如养殖废水、味精废水、焦化废水等含氮有机工业废水的处理，以节能降耗为目的，具有操作管理简易、节省人力物力、较高的反硝化速率、较小的反应容积和较低的污泥产量、并能有效的减少污泥处理与处置费用等优点。

Description

一种磁活性污泥反应器装置及其实现短程脱氮的方法

技术领域

本发明涉及一种磁活性污泥反应器及其实现生物短程脱氮的方法，适用于大、中、小型城镇生活污水及工业废水深度脱氮，属于污水处理领域。

背景技术

传统活性污泥法广泛应用于城市和工业污水处理工艺中。但是普遍存在着污泥产率高，污水呈现低C/N比导致脱氮效率不理想的问题。而且排出的大量剩余污泥处理与处置的费用常常占整个污水厂运行费用的60%以上。因此，如何从常规活性污泥工艺中减少剩余污泥的产量以及对于低碳氮比的污水解决生物脱氮问题成为了当前一个非常实际和紧迫的问题。

磁活性污泥技术的提出，为有效解决传统工艺存在的问题和弊端提供了解决方案。通过在常规活性污泥中投加磁粉不仅形成具有较强磁吸附而且还具有良好的固液分离的磁活性污泥，该工艺主要的一个目标就是在反应器中维持较高的污泥浓度，以此来限制污泥的产量和相关运行费用。

基于磁活性污泥技术的优点，磁活性污泥工艺的开发和研究也日益受到国内外污水处理技术人员的重视。较常规活性污泥法工艺，它具备了如下的优越性：1、可以在磁活性污泥反应器中维持高的生物量，污泥浓度可达到15g/L。污染物去除效率高，装置处理容积负荷大，设备占地省；而且处理出水水质良好，一般可以实现进水有机物的完全矿化，出水中悬浮物较低。2、污泥产率低。由于污泥负荷低，因此污泥产率远远低于普通活性污泥系统。Renze vanHouten等人认为较低的F/M，一方面可以使产生的剩余污泥量减少而降低了处置剩余污泥的费用，另一方面使得污泥龄变长。较长的污泥龄有利于世代期较长的细菌生长(如硝化菌)。低F/M还会使磁活性污泥中产生大量的胞外聚合物EPS，从而更有利于磁粉与污泥的结合。3、良好的脱氮效果。磁种的加入，硝化菌呈生物膜固定生长，这不仅给生长速率较慢的硝化菌创造了一个稳定的生活环境，增加了系统中硝化菌生物量，提高了硝化率，还创造了微氧环境，实现了同步硝化反硝化功能。据美国剑桥水务研发的biomag工艺试验表明其好氧出水TN长期稳定在小于10mg/l，氨氮小于1.5mg/l。4、可大幅度提高处理水量。高的污泥浓度可缩短污水处理过程中生化反应池中的停留曝气时间，提高了污水处理速度，同时，沉淀过程中沉淀速度快（超过20~40m/h），这些处理过程的缩短，压缩了常规工艺的水力停留时间，提高了处理水量。

将磁活性污泥法与短程脱氮相结合，不仅实现污泥产率低、还可以降低能耗节约运行费用，而在磁活性污泥反应器中实现短程生物脱氮未见报道。我国城市污水厂含氮量难于达标的主要原因在于反硝化碳源不足，进水的低碳氮比低。短程硝化脱氮技术与传统的全程硝化反应比较，可减少25%的曝气量和40%的有机碳源。因而，如果在磁活性污泥中实现短程脱氮，将氨氮氧化为亚硝氮后，可以大大减少反硝化所需碳源，从而实现高效的反硝化。可见，在磁活性污泥反应器中实现短程脱氮的方法是具有理论和现实意义，市场应用前景广阔。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提出了一种磁活性污泥反应器实现短程硝化的装置和方法。该装置和方法能在达到更好的污水处理效果的基础上，与常规活性污泥短程脱氮相比较，本发明可获得较低的污泥产率、节省了曝气能耗及减少外加碳源投加量。

本发明的目的是通过以下的技术方案来实现的:

磁活性污泥反应器装置，如图1所示，反应器3安装进水管16、出水管13和排泥管14、便于污水和磁活性污泥充分混合的搅拌机4、底部设置微孔曝气圆盘15，微孔曝气圆盘15连接至鼓风机5，微孔曝气圆盘15和鼓风机5之间设有气体流量计6；在反应器3内壁上安用于测量装溶解氧DO，氧化还原电位ORP和pH的电极12，上述电极12经传输电缆与显示控制器8连接，显示控制器8与PID控制器11通过电缆相连，PID控制器11与计算机10相连；PID控制器11集成有进水继电器、出水继电器、曝气继电器、投加碳源计量泵继电器、搅拌机继电器，上述这些继电器分别与进水泵2、出水电磁阀门9、鼓风机5、投加碳源计量泵7和搅拌机4相连接；进水箱1的出口通过进水泵2、进水管16连接至反应器3；投加碳源计量泵7通过管道连接至反应器3。

利用所述磁活性污泥反应装置实现短程脱氮的方法，包括以下步骤：

1）首先将含有硝化菌污泥浓度MLVSS为6000mg/L的活性污泥添加到反应器3内进行驯化，同时投加磁种，磁种投加量为510g；将污水加入反应器3，进水的同时启动搅拌机4进行搅拌，在此过程中磁活性污泥快速吸收污水中的有机物；

2）进水结束后开启鼓风机5，微孔曝气圆盘15对反应器3内的泥水混合物进行曝气，通过调节气体流量计控制曝气量在250L/h，污泥中的异养菌去除水中有机物，之后在硝化菌的作用下将水中氨氮氧化，曝气过程中产生的气泡使得污水和活性污泥充分接触，起到了搅拌混合的作用，电极12每分钟采集反应器内pH、DO、ORP值经传输电缆到显示控制器8后，输出4～20毫安电流信号到PID控制器11，PID控制器11再将这些信号传输给计算机10；计算机10实时记录pH、DO、ORP值信号并在计算机10的显示器上显示pH、DO、ORP值，利用计算机10安装的组态软件建立基于pH值的曝气控制策略：每隔1分钟的时间步长电极12读取在线数据pH(i)反馈给计算机，i为时间变量,单位为分，pH(i)为检测到到的i时刻的溶液的pH值，计算机10把得到的数值pH(i)和前一个数值pH(i-1)进行比较，pH(i-1)为检测到到的i-1时刻的溶液的pH值，如果pH(i)>pH(i-1)，可认为硝化没有完成，则继续曝气；如果pH(i)>pH(i-1)，理论上硝化已经完成，但不停止曝气，比较下一个1min的数值pH(i+1)和pH(i)的大小，pH(i+1)为检测到到的i+1时刻的溶液的pH值，如果pH(i+1)大于pH (i)，且在后续5分钟内前一个pH值都比后一个pH值大，表明pH一直上升则停止曝气，如果pH(i+1)小于pH(i)，则前面的数值是仪器读数误差引起，继续曝气；pH一直上升维持5min的硝化保证时间已足够；；

3）曝气停止后立即启动搅拌机4对泥水混合物进行搅拌，搅拌机4运行2h，同时开启碳源投加泵7运行1分钟；

4）沉淀：反硝化结束后，反应器3内泥水混合物沉淀时间为15min；

5）排水：反应器3内上清液经出水管13排到反应器3外，排水结束后，关闭出水管13上的出水电磁阀门9；

6）闲置：设定闲置时间为5分钟，系统停止运行或准备进行下一个周期的运行；

上述1）～6）过程为一个周期，反应器3运行为20～30天，即可实现磁活性污泥短程脱氮。如图2是本发明磁活性污泥法基于pH值建立的曝气控制策略流程图。

所述2）中的完全混合式反应池内的活性污泥浓度维持在12000mg/L。污泥产率为0.21kgVSS/kgCOD

与现有常规短程脱氮技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

本发明利用磁活性污泥结合短程脱氮，相对于全程硝化一反硝化而言，省去了生物脱氮过程中由亚硝氮氧化为硝氮再由硝氮转化成亚硝氮的步骤，硝化阶段可节约25%的曝气量，反硝化阶段可减少40%的有机碳源。与常规活性污泥短程脱氮相比，磁活性污泥短程脱氮具有以下特点：1）可以维持教高的生物量，污泥浓度可达到13g/L。污染物去除效率高，装置处理容积负荷大，设备占地省；而且处理出水水质良好，一般可以实现进水有机物的完全矿化，出水中悬浮物较低。2）、污泥产率低。磁活性污泥短程脱氮污泥产率为0.21kgVSS/kgCOD。由于污泥负荷低，因此污泥产率远远低于普通活性污泥短程脱氮系统。3）可大幅度提高处理水量。高的污泥浓度可缩短污水处理过程中生化反应池中的停留曝气时间，提高了污水处理速度，同时，沉淀过程中沉淀速度快（超过20~40m/h），这些处理过程的缩短，压缩了常规工艺的水力停留时间，提高了处理水量。因此，本发明专利以节能降耗为目的，具有操作管理简易、节省人力物力，降低污水的曝气能耗和污泥处理与处置费用，并将污水厂的运行费用节省至少10%。

附图说明

图1是本发明的磁活性污泥反应器结构示意图。

图2是本发明磁活性污泥法基于pH值建立的曝气控制策略流程图。

图3是本发明磁活性污泥工艺启动短程硝化的效果图。

图4、本发明磁活性污泥工艺曝气实时控制实现短程脱氮过程中污染物典型变化图

图5是本发明磁活性污泥工艺曝气实时控制实现短程脱氮过程中控制参数的典型变化图。

附图标记：1一进水箱、2一进水泵、3一反应器、4一搅拌机、5一鼓风机、6一气体流量计、7一投加碳源计量泵、8一显示控制器、9一排水电磁阀门、10一计算机、11一PID控制器、12一电极、13一出水管、14一排泥管、15一微孔曝气圆盘、16一进水管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明专利：

以北京某高校教工生活小区化粪池出水为处理对象，进水COD=200mg/L～465mg/L，氨氮=80mg/L～100mg/L，pH=7.0～7.8，亚硝氮=0.1mg/L～0.5mg/L，硝氮=0.2mg/L～1.8mg/L，反应器污泥浓度MLSS为10000mg/L～13000mg/L，污泥龄大于60天，外加碳源乙酸钠，运行结果：曝气结束时，氨氮平均为0.8mg/L，出水COD平均为38.5mg/L，出水TN平均为2.5mg/如图1、图3、图4所示。具体步骤如下：

步骤一进水磁活性污泥反应器有效容积85L，进水60L，首先计算机给PID控制器发出指令，与进水继电器、搅拌机继电器相连的进水泵、搅拌机通电启动，进水泵注入60L污水到磁活性污泥反应器中，进水6分钟后，关闭进水泵、搅拌器，进入步骤二工序。

步骤二曝气PID控制器发出指令，开启与鼓风继电器相连的鼓风机，曝气量设定为250L/h，对反应系统进行曝气，由鼓风机提供的压缩空气由进气管进入微孔曝气圆盘，以微小气泡的形式向磁活性污泥混合液高效提供氧，并且使污水和磁活性污泥充分接触，当反应进行一个小时后，计算机中的基于pH值建立的曝气控制策略程序启动，如图2所示，控制策略程序主要是根据反应器内所安置pH电极在反应过程中所传输出来的pH值特征点来间接获取反应进程的信息，显示控制器将pH的范围为0～14，分别转换为对应4～20mA电流信号输出，将采集的pH值电流信号经PID控制器传输到计算机，计算机进行滤波处理，当pH值的由下降转为上升，上升为此5分钟后，即表征硝化完成的信号如图5所示，关闭鼓风机及进气阀，停止曝气，进入下一工序。

步骤三搅拌投加外碳源反硝化设定乙酸钠的投加量为COD=138mg/L。PID控制器发出指令，开启搅拌器、碳源投加泵，启动60s后，关闭碳源投加泵，反硝化进程运行2h，反硝化结束后，关闭搅拌器，进入下一工序。

步骤四沉淀由过程实时控制系统中的时间控制器根据预先设定的沉淀时间为15分钟，此时进水继电器开关、曝气继电器开关，搅拌继电器开关、碳源投加继电器开关、排水继电器开关均关闭

步骤五排水PID控制器发出指令，与排水继电器开关相连的排水电磁阀开始工作，将处理后水经出水管排到反应器外，排水12分钟后，关闭出水管上的阀门。

步骤六闲置根据需要，设定闲置时间为5分钟，当达到预先设定的闲置时间5分钟后，系统停止运行准备进行下一个周期的运行。

Claims (3)

1.磁活性污泥反应装置，其特征在于：反应器（3）安装进水管（16）、出水管（13）和排泥管（14）、便于污水和磁活性污泥充分混合的搅拌机（4）、底部设置微孔曝气圆盘（15），微孔曝气圆盘（15）连接至鼓风机（5），微孔曝气圆盘（15）和鼓风机（5）之间设有气体流量计（6）；在反应器（3）内壁上安装用于测量装溶解氧DO，氧化还原电位ORP和pH的电极（12），上述电极（12）经传输电缆与显示控制器（8）连接，显示控制器（8）与PID控制器（11）通过电缆相连，PID控制器（11）与计算机（10）相连；PID控制器（11）集成有进水继电器、出水继电器、曝气继电器、投加碳源计量泵继电器、搅拌机继电器，上述这些继电器分别与进水泵（2）、出水电磁阀门（9）、鼓风机（5）、投加碳源计量泵（7）和搅拌机（4）相连接；进水箱（1）的出口通过进水泵（2）、进水管（16）连接至反应器（3）；投加碳源计量泵（7）通过管道连接至反应器（3）。

2.利用权利要求1所述磁活性污泥反应装置实现短程脱氮的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）首先将含有硝化菌污泥浓度MLVSS为6000mg/L的活性污泥添加到反应器（3）内进行驯化，同时投加磁种，磁种投加量为510g；将污水加入反应器（3），进水的同时启动搅拌机（4）进行搅拌，在此过程中磁活性污泥快速吸收污水中的有机物；

2）进水结束后开启鼓风机（5），微孔曝气圆盘（15）对反应器（3）内的泥水混合物进行曝气，通过调节气体流量计控制曝气量在250L/h，污泥中的异养菌去除水中有机物，之后在硝化菌的作用下将水中氨氮氧化，曝气过程中产生的气泡使得污水和活性污泥充分接触，起到了搅拌混合的作用，电极（12）每分钟采集反应器内pH、DO、ORP值经传输电缆到显示控制器（8）后，输出4～20毫安电流信号到PID控制器（11），PID控制器（11）再将这些信号传输给计算机（10）；计算机（10）实时记录pH、DO、ORP值信号并在计算机（10）的显示器上显示pH、DO、ORP值，利用计算机（10）安装的组态软件建立基于pH值的曝气控制策略：每隔1分钟的时间步长电极（12）读取在线数据pH(i)反馈给计算机，i为时间变量,单位为分，pH(i)为检测到的i时刻的溶液的pH值，计算机（10）把得到的数值pH(i)和前一个数值pH(i-1)进行比较，pH(i-1)为检测到的i-1时刻的溶液的pH值，如果pH(i)>pH(i-1)，认为硝化没有完成，则继续曝气；如果pH(i)>pH(i-1)，理论上硝化已经完成，但不停止曝气，比较下一个1min的数值pH(i+1)和pH(i)的大小，pH(i+1)为检测到的i+1时刻的溶液的pH值，如果pH(i+1)大于pH(i)，且在后续5分钟内前一个pH值都比后一个pH值大，表明pH一直上升则停止曝气，如果pH(i+1)小于pH(i)，则前面的数值是仪器读数误差引起，继续曝气；pH一直上升维持5min的硝化保证时间已足够；

3）曝气停止后立即启动搅拌机（4）对泥水混合物进行搅拌，搅拌机（4）运行2h，同时开启投加碳源计量泵（7）运行1分钟；

4）沉淀：反硝化结束后，反应器（3）内泥水混合物沉淀时间为15min；

5）排水：反应器（3）内上清液经出水管（13）排到反应器（3）外，排水结束后，关闭出水管（13）上的出水电磁阀门（9）；

6）闲置：设定闲置时间为5分钟，系统停止运行或准备进行下一个周期的运行；

上述1）～6）过程为一个周期，反应器（3）运行为20～30天，即可实现磁活性污泥短程脱氮。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2）中的反应器（3）内的活性污泥浓度维持在12000mg/L。

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